双高（高比例新能源发电和高比例电力电子设备）系统宽频振荡研究现状

1 为什么会形成双高电力系统

（1）新能源发电比例增加

双碳计划，新能源革命，可再生能源逐步代替传统化石能源，未来新能源发电将成为最终能源需求的主要来源。

（2）电力电子设备数量增加

为了实现新能源发电基地向负荷中心灵活高效地输送电能，长距离高压柔性直流输电网络正逐渐形成。随着科技发展，大量具有优良控制能力的直流终端不断接入交流电网。随着大规模新能源发电、高压直流输电、大功率直流负荷的快速发展，电力系统“源–网–荷”各部分电力电子化程度逐年提高。

2 电力电子化对系统振荡的影响

2.1 电力系统电力电子化

电力电子化是未来输电线路的基本形态，交直流混合互联是未来电网的基本框架结构。随着大功率电力电子技术的发展，基于电压源型换流器的柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current transmission，VSC-HVDC)广泛应用于新能源并网及远距离输电。VSC-HVDC技术采用大量可控性电力电子元件使其能够在四象限内灵活运行，方便控制输电线路传输功率。输电网络的电力电子化极大地改变了电力系统的输电方式和电网结构，发电侧、负荷侧及输电网络间的耦合形式更加多样化。

配网侧，大量以直流驱动的轨道交通、电动汽车、超级计算机及电力电子变压器等电力电子设备接入电网；分布式电源(如风电、光伏等)及储能装置，经电力电子变换器接入交流或直流配电网。

2.2 电力电子化引起的电网宽频振荡

输电网络的电力电子化使得发电侧、负荷侧及输电网络间的耦合形式更加多样化，发电侧、负荷侧的电力设备之间会相互耦合产生振荡，同时输电网络中的电力电子设备也会参与振荡。

配网侧直流驱动的电力电子设备（负荷）使电力系统振荡问题突出且振荡频率变化范围大，如电力电子滤波器引起的高频谐振。分布式电源(如风电、光伏等)及储能装置经电力电子换流器并网，虽然提高了发电效率及并网能力，但会引起电力系统的低频振荡和次/超同步振荡。

配网侧的振荡与输电网络之间相互作用，使振荡能量进一步传播至主网，诱发输电网络或发电设备产生振荡，导致电力系统动态行为复杂多变。发电设备、输电网络、电力负荷等相互作用，会引起几Hz到数千Hz频率范围内的失稳性振荡。

将“双高”电力系统因受自身或外部因素的影响，电力电子设备之间及其与电网之间相互作用引起的电气量(如电压、电流、功率等)随时间作周期性波动，且振荡频率在较宽范围内变化的动态过程称为电力系统宽频振荡。

3 宽频振荡的形态特征

为了向用户提供高质量电能，电力系统在运行过程中应时刻保持动态平衡。但当系统发生扰动时，“源-网-荷”间的动态平衡被破坏，能量按电力设备的动态特性重新分配，分配过程中会诱发电网的动态振荡，直到系统恢复平衡或者失去稳定。

电力系统是一个机械能、电能、磁能相互转换的复杂系统，其振荡过程主要分为机电振荡和电磁振荡。目前并网变流器的应用及交直流混合输电的运行一定程度上弱化了电网间的交流耦合，使同步发电机组之间的机电振荡减弱，而电力电子设备引起的电磁振荡问题逐渐凸显。

“双高”电力系统与传统电力系统的主要区别在于发电侧、输电网络及配网侧的电力电子化，宽频振荡问题的本质在于三者之间动态行为的相互作用。

表1 传统电力系统与“双高”电力系统振荡问题特征对比

	传统电力系统	“双高”电力系统
参与对象	同步发电机组（如励磁控制系统振荡、原动机调速系统振荡、火电机组轴系扭振等）。	由电力电子设备及其控制系统、传统电气设备及输电网络共同决定（如风电机组的电力电子变流器与输电线路的串联补偿装置之间相互作用引起的新型次同步振荡，即次同步控制相互作用(subsynchronous control interaction，SSCI)）。
振荡形式	主要有励磁装置及控制系统引起的低频振荡(0.1~2.5Hz)、水轮机组调速器参数设置不合理引起的超低频振荡(低于0.01Hz)及汽轮机组转子轴系与线路串联补偿装置耦合引起的次同步振荡等。	小信号负阻尼失稳，然后在较宽频率范围(几Hz到数kHz)内发散性持续振荡。
影响范围	谐振电路引起的传统电磁振荡往往是单一振荡模态的局部振荡。	多区域的多机组和多电气设备，振荡频率随拓扑结构变化而变化，表现出多模态特征。单一模式的振荡与电力电子设备相互作用可能会激发出新振荡模式，导致振荡能量在电网中大范围传播，使振荡由局部向全局方向发展，从而宽频振荡表现出时空分布特性。

由上述分析可知，宽频振荡具有以下两个特性：

3.1 宽频时变特性

电力电子设备之间及其与电网之间相互作用时，电力系统振荡主要表现为次/超同步振荡及高频谐波、间谐波振荡的形式。如：

• SSCI导致的次/超同步振荡；
• 直驱风电机组与无串补输电网络作用引起的次/超同步振荡；
• 并网变换器、锁相环参数设置不合理造成的高频谐振；
• 直驱风机与VSC-HVDC作用引起的次/超同步振荡；
• 风机控制参数与无功补偿装置作用引起的次/超同步振荡；
• 并网变流器之间相互作用引起的高频振荡。

从上述分析可以看出，新能源接入系统中电力电子设备引起的电力系统振荡具有显著的宽频特征。

不同控制方式下电力电子设备的拓扑结构不同，电力电子元件的开断受占空比控制。因此，电力电子设备之间及其与电网之间相互作用时，由于受电力电子装置拓扑结构及参数的影响，振荡频率会在较大范围内漂移，使宽频振荡表现出显著的时变特性。

3.2 时空分布特性

宽频振荡能量在电网中具有广域传播特性。

3.3 传播特性分析

电力系统振荡是扰动能量在电网中传播的具体体现。关于能量传播引起电网振荡的研究，目前主要集中于电力系统机电暂态范畴。文献《Electromechanical wave propagation in large electric power systems》借助连续体建模的思想建立了机电扰动传播的数学模型，并定义了机电波的概念用于描述扰动能量的变化过程。为了揭示机电波在电网中传播的物理机制，文献《电力系统连续体模型中机电波传播特性研究》和《Study on dispersion phenomena of electromechanical disturbance propagation in power systems》对机电波传播过程中的反射/透射现象进行分析，从能量传播角度揭示了电力系统振荡问题的本质是不同频率的波在传播过程中相互叠加的结果。文献《Characteristics of electromechanical disturbance propagation in non-uniform power systems》指出在不同边界条件下能量传播表现出来的特征具有显著差异，扰动能量在传递过程中的物理现象在很大程度上受振荡频率的影响。机电扰动传播理论和分析方法是否适用于宽频振荡尚待进一步的探索。

目前宽频振荡能量的传播机理尚不明确，因此“双高”电力系统振荡的广域传播特性和宏观动态行为需要进一步的探索。

4 宽频振荡的形成机理

电力系统电力电子化是引起宽频振荡的主要因素，而电力系统互联为振荡能量在电网中广域传播提供了必要条件。

宽频振荡主要有：

1)电力电子设备与同步发电机之间相互作用引起的振荡，主要表现为同步发电机组的旋转轴系扭振，如VSC-HVDC与同步发电机作用引起的次同步振荡；

2)电力电子设备与输电网络的相互作用引起的振荡，主要表现为电气振荡和机网耦合振荡，如电力电子变流器控制与串补电网作用引起的SSCI、电力电子并网换流器的锁相环与输电网络作用引起的高频谐振等；

3)电力电子设备之间相互作用引起的振荡，主要表现为电气振荡和机网耦合振荡，如直驱风机与VSC-HVDC相互作用引起的次同步振荡、VSC-HVDC输出系统引起的高频谐振等。

新能源发电、柔性交直流输电及电力负荷都依靠控制灵活的电力电子设备，而电力电子设备及其控制系统、锁相环等与交直流电网中的电抗(L)和电容(C)相互作用，使电力电子设备与系统之间进行多个非基频下的能量交换，引起宽频振荡。

高比例新能源发电系统接入后，电网中存在大量电力电子开关控制的功率转换系统，为了提高能量转换效率开关频率逐步提高，引起大约在2~9kHz之间的高频谐波振荡。电力系统中各设备之间时间尺度相差较大，振荡发生后会引起各电力设备在不同的时间尺度内振荡，而且不同振荡频率分量之间相互作用可能会激发新的振荡形态，导致多种形态的振荡在电网中共存。

电力系统动态振荡是扰动能量在电气设备之间相互交换的具体表现形式。电力系统发生振荡时，各电气设备的平衡状态发生变化，电网中的有功功率和无功功率随着节点电压相位、幅值的变化在设备之间相互交换。大规模互联系统，振荡能量的交换不能瞬间完成，按照一定时间差在不同设备之间相互传递(空间特性)；异构化电力电子设备（在电力系统中，由多种不同类型、不同功能、不同控制策略的电力电子设备组成的集合。）与交直流输电网络相互作用，电力电子设备的不同拓扑结构和控制方式可能会随着运行条件的变化而相互切换，使振荡频率在较宽范围内漂移(时间特性)。电力系统本身是具有强非线性的复杂系统，而电力电子设备的应用进一步增强了系统的非线性。含多电力电子设备的大规模互联电网的宽频振荡不再是各子系统简单相互叠加，而是不同时间尺度问题相互作用、相互耦合的结果。

5 宽频振荡的研究现状

在高比例新能源和多样化电力电子设备(特别是网侧大型变流设备，如柔性交/直流输电装备)广泛接入背景下，频率范围更宽(数Hz至数kHz)的振荡问题应该是未来研究关注的重点。

5.1 建模分析方法

目前宽频振荡的研究策略主要是针对特定问题的分析，分析方法主要是采用解析计算法和数值仿真法。

5.1.1 解析计算法

解析法主要有复转矩系数法、状态空间法和阻抗分析法等。现有解析方法多用于单一情景的分析，缺乏针对多电力电子设备、多时间尺度的统一分析与建模方法的研究，无法从宏观上掌握和揭示系统振荡的物理本质，难于分析大规模新能源并网系统的振荡问题。

表2 三种解析计算法优缺点对比

	优点	缺点
复转矩系数法	物理意义清晰。	在高比例电力电子系统 中的应用尚待进一步研究。
状态 空间法		计算电力系统特征值和阻尼比来分析振荡的动态行为，对系统结构和参数的依赖性大。
阻抗 分析法	对变流器和电网进行解耦，分别建立各元器件的阻抗模型，当系统结构发生变换时只需对变化部分进行重新建模，大大减少了计算时间。

5.1.2 数值仿真法

数值分析法主要是采用机电暂态和电磁暂态计算程序对电力系统的数学模型进行求解，但两者关注的物理过程和时间尺度不同。电力电子元件具有动作速度快、频率高的特点，需要更精细化的仿真才能反映出其动态响应过程，为了实现对大电网的仿真，可采用电磁–机电混合仿真来提高仿真速度。电力电子设备的时间尺度多、模型维数高且拓扑具有时变性，需兼顾数值稳定性、模型精度及仿真效率，而数模混合仿真仅能反映电力系统的次暂态过程，因此需要进一步研究更高效的仿真方法，对“双高”电力系统中电力设备的动态过程进行全面物理测试和特性分析。

6 宽频振荡的抑制措施

对于宽频振荡抑制，目前主要从电源侧和电网侧两个角度来设计控制器方案。

6.1 电源侧抑制措施

新能源发电机组控制器参数优化和变流器控制回来附加阻尼控制器。但通过优化发电机组控制器参数的措施，并不适用于所有的运行工况，且只针对特定运行条件才有明显的抑制效果。

6.2 电网侧抑制措施

主要是通过串并联柔性输电装置(flexible AC transmission systems，FACTS)向振荡机组注入反向电流，如在风电场出口并联静止无功补偿器(static var compensator，SVC)、在线路中接入可控串联补偿装置(thyristor controlled series compensation，TCSC)、静止同步串联补偿器(static synchronous series compensator，SSSC)等，从而达到阻尼振荡的目的。对于宽频振荡问题，其振荡频率的频带范围较宽而且有时变特性，因此，新型振荡控制器的设计需要适应运行工况的变化。

7 宽频振荡面临的挑战

在“双高”电力系统中，电力电子设备引起的宽频振荡表现出新现象、新特征，如形态多样化、宽频特征、时变特性及广域传播特征等。因此，如何研究和分析宽频振荡将面临诸多新的挑战。

7.1 宽频振荡的量化分析

研究宽频振荡问题的前提是建立电力元件(如风电机组、电力电子变换器及控制系统等)的精确化模型。但多样化电力电子设备具有较强的非线性，其动态特性随频率变化表现出很大差异，实际情况下也难以准确获取电力电子设备的结构和参数；对于含大规模风力、光伏发电并网的电力系统，由于含有大量多时间尺度电力电子设备，因此在电磁暂态时间尺度下建立系统的等值模型较为困难。在分析方法方面，传统数值分析法、特征值分析法及阻抗分析法的结果不能有效地反映强非线性电力系统振荡的动态特性，基于不同的分析方法研究宽频振荡问题可能会得出不同的结论，导致电力电子设备参与宽频振荡的机理不明确。如何建立满足宽频振荡分析的电力系统模型，提出宽频振荡分析的统一量化指标体系，揭示宽频振荡的形成机制，是宽频振荡研究面临的挑战之一。

7.2 宽频振荡的广域传播机制

电力系统的电力电子化程度不断加深，导致宽频振荡不再是局部单一振荡问题，而是全局复杂振荡问题。但目前针对宽频振荡全局性问题的研究尚缺少相关理论支撑，尤其是在振荡能量的传播机制方面。由于电力电子设备的强非线性，使宽频振荡具有频率时变及多源特征，使能量传播过程十分复杂；通过传统的数值仿真方法可以得到宽频振荡在大规模电网中表现出的时空分布特征，但无法揭示宽频振荡的时空演变规律及内在机理；电力系统的运行状态及电力电子设备拓扑结构的时变特性，导致振荡能量的传播路径错综复杂，且影响振荡能量传播的因素众多，最终导致宽频振荡源及能量传播路径难以确定。因此，建立“双高”电力系统宽频振荡的分析方法，揭示宽频振荡能量的大范围传播与时空分布特征的内在关系，实现振荡源定位及传播路径跟踪也是宽频振荡研究面临的挑战之一。

7.3 宽频振荡的抑制措施

目前宽频振荡的抑制措施主要是针对单台机组、单一振荡模式提出的，而由上述分析可知宽频振荡是涉及多机组的多模态振荡问题；而且在控制器设计上通常采用传统电力系统的线性化理论，然而电力电子设备运行状态具有不确定性，电力电子设备可能处于线性或非线性占主导的不同阶段；电力系统运行状态随“源–网–荷”运行方式的变化而变化，且受扰动强弱影响较大。因此，传统的振荡抑制方法缺乏鲁棒性，无法适应宽频振荡的时变、多模态特征。宽频振荡抑制装置需要实时采集振荡相量作为输入信号，但现有针对基频(50Hz/60Hz)设计的监测方法难以甄别宽频振荡相量，需要提出适用于宽频相量监测的数学方法。宽频振荡具有广域传播特征，如何针对该特征设计广域协同控制器目前也缺少相关的理论研究和方法。因此，针对宽频振荡提出合理的控制方法和抑制措施，也是宽频振荡研究面临的重大挑战之一。

8 宽频振荡的研究思路与方法

研究“双高”电力系统宽频振荡的基本思路：

1. 建立能描述数Hz至数kHz广谱范围内多样化异构设备、复杂电网及其耦合整体的动态特性的统一模型；
2. 分析多时间尺度相互作用下宽频振荡发生的条件和非线性演化特征；
3. 研究各种运行方式和扰动场景下高效协调“源–网–荷”动态行为以抑制宽频带振荡的方法。

从物理学角度，直接建立“双高”电力系统的解析模型，可以“完全透彻”地分析宽频振荡的内在规律，但考虑到电力系统运行机理与研究宽频振荡问题，需要以系统方法论为指导，综合物理机理、数学方法和仿真计算，从以下几个方面做进一步的研究：

1. 在宽频振荡特征认知方面，分析电力电子设备在电力系统中的动态行为特性，揭示电力系统基本元件、构造方式、内外部条件的重大变化，提炼对电力系统振荡产生重大影响的关键性因素，概括并预判电力系统宽频振荡正在发生或即将发生的根本性变化，探究“双高”电力系统振荡出现的新现象、新特征的基本机理，提出“双高”电力系统宽频振荡分析的新理论和新方法，构建规范性研究框架揭示宽频振荡的形成机制。
2. 在宽频振荡建模和机理分析方面，通过数值分析方法分析“双高”电力系统的机电-电磁暂态过程；根据数值分析结果，分析宽频振荡的影响因素，总结“双高”电力系统宽频振荡在多时空维度下的演变规律；提出适用于宽频振荡分析的解析方法，求解简单系统宽频振荡的解析表达式，量化分析“双高”电力系统宽频振荡；探究宽频振荡的物理机制，建立宽频振荡稳定性的标准判据；提出能够实时监测宽频振荡相量的方法，基于实测数据探索宽频振荡的内在物理机制。
3. 在宽频振荡的能量传播规律分析方面，从电气学科的基本理论出发，恰当引入电气学科以外的概念和方法，深入研究扰动能量在电力电子化电力化电力系统中的消纳和转换过程，从新的角度来诠释宽频振荡的物理机理；通过电力系统振荡过程中的物理现象分析振荡传播过程中的影响因素并揭示其物理内涵和数学本质；提出宽频振荡源的定位及传播路径的跟踪方法。

在宽频振荡抑制方面，根据宽频振荡机制分析引起振荡的内在因素，从源、网两侧出发，提出适用于多运行工况、频率和幅值时变特性及多模态特征的抑制策略；提高宽频振荡相量的监测精度，基于宽频振荡广域监测系统构建全网协同控制策略，形成多级防御体系，实现抑制宽频振荡的目标。

参考文献

[1]马宁宁,谢小荣,贺静波,等.高比例新能源和电力电子设备电力系统的宽频振荡研究综述[J].中国电机工程学报,2020,40(15):4720-4732.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.191968.